DE29815055U1

DE29815055U1 - Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ

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Publication number: DE29815055U1
Application number: DE29815055U
Authority: DE
Original assignee: Precision Instrument Development Center
Current assignee: Precision Instrument Development Center
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2008-08-25
Also published as: FR2782754B3; FR2782754A3

Description

Precision Instrument Development Center, National Science Council, 20 R & D Road VI, Hsinchu Science-Based Industrial Park, Hsinchu 300, Taiwan, R.&ogr;.C

Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ,

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ, welche eine Vakuumpumpenfunktion vom Volumentyp und eine Vakuumpumpe vom Impulstransfertyp aufweist, und welche für einen optimalen Ausstoßvorgang in einem Druckbereich zwischen atmosphärischem Druck und hohem Vakuum geeignet ist.

Eine Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ ist in der japanischen, nicht geprüften Patentpublikation Nr. Showa 60-216089 beispielsweise beschrieben. Diese Art von Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ wird von einem niedrigen Vakuumbereich, welcher als Gleitströmung bezeichnet wird, bis zu einem hohen Vakuumbereich, welcher als freie Molekularströmung bezeichnet wird, betrieben und ist hauptsächlich durch überragende Ausstoßcharakteristika im Bereich des niedrigen Vakuums gekennzeichnet. Im Gegensatz hierzu ist beispielsweise eine in der japanischen geprüften Patentpublikation Nr. Showa 50-27204 usw. beschriebene Turbo-Molekularpumpe hinsichtlich ihrer überragenden Ausstoßeigenschaften im niedrigen Vakuumbereich gekennzeichnet.

Hier wird die Vakuumpumpe als Entlüftungsvorrichtung einer CVD-Einrichtung zur Herstellung von Halbleitern verwendet und muß überragende Ausstoßcharakteristika von atmosphärischem Druck bis zu einem hohen Vakuumbereich aufweisen. Zu diesem Zweck wurde bereits eine Kompositvakuumpumpe vorgeschlagen, bei welcher die Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ und die Turbomolekularpumpe miteinander kombiniert sind. Beispielsweise wurden derartige Kompositvakuumpumpen in der japanischen, ungeprüften Patentpublikation Nr. Showa 62-279281, der japanisehen, nichtgeprüften Patentpublikation Nr. Heisei 1-237384, der japanischen, nichtgeprüften Patentpublikation Nr. Heisei 4-175491 vorgeschlagen. Andererseits wurden ähnliche Vakuumpumpen vom Komposittyp in dem japanischen Patent Nr. 258 98 65 beschrieben.

Die Vakuumpumpen vom Komposittyp, die in den oben angegebenen Publikationen beschrieben sind, sind in ihrer Konstruktion im Vergleich mit einer Vakuumpumpe vom Einzelspiralnut-Typ als Vakuumpumpe vom Volumentyp kompliziert. Folglich werden, wenn derartige KompositVakuumpumpen als Ventilationseinrichtung der CVD-Vorrichtung verwendet werden, beim Ventilieren einer großen Menge reaktionsfähigen Gases im nicht reagierten Zustand eine große Anzahl von Anteilen sich leicht ablagernder oder ansammelnder Reaktionsnebenprodukte abgeschieden. Beispielsweise wird das reaktionsfähige Nebenprodukt leicht auf einem statischen Flügel der Turbo-Molekularpumpe abgelagert oder angesammelt, welche die Impulstransfervakuumpumpe bildet. Als Resultat hiervon ist es möglich, daß die Lebensdauer der Vakuumpumpe herabgesetzt wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ vorzuschlagen, welche eine hohe Aus-

Stoßgeschwindigkeit von einem niedrigen Vakuumbereich zu einem hohen Vakuumbereich aufweist und ferner eine überragende Lebensdauer.

Zur Lösung der obenstehenden Aufgabe haben die Erfinder vorliegender Erfindung aufgrund verschiedener Medienanalysen und Experimente und unter Auswertung der hieraus erzielten Resultate gefunden, daß eine Ausstoßgeschwindigkeit im hohen Vakuumbereich erheblich verbessert werden kann, indem ein dynamisches Flügelelement verwendet wird, welches auf der Basis einer Theorie einer Turbo-Molekularpumpe in einem Abschnitt auf einer Saugseite eines Spiralnut-Elementes der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ konstruiert ist und indem die Öffnungsfläche der Saugseite größer gemacht wird. Auf Basis dieser neuen Erkenntnisse wurde die Vakuumpumpe nach vorliegender Erfindung ausgeführt.

Im Detail betrifft die vorliegende Erfindung eine Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ mit einem in Abschnitten zylindrischen Pumpengehäuse, einem einzelnen zylindrischen Rotor, welcher koaxial in dem Pumpengehäuse angeordnet ist, einem Spiralnutabschnitt, welcher durch eine Vielzahl von Spiralnut-Elementen definiert ist, die auf einer äußeren Umfangsflache des Rotors geformt sind und einer Saugöffnung und einer Ausstoßöffnung, die mit dem Pumpengehäuse in Verbindung stehen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vielzahl von auf der äußeren Umfangsflache des Rotors geformten Spiralnut-Elemente einen dynamischen Elementabschnitt vom Flügelpumpentyp aufweisen, welcher auf einer Konstruktionstheorie einer Turbo-Molekularpumpe auf dem Abschnitt der äußeren Umfangsflache auf einer Saugseite geformt ist und zwar in einer vorbestimmten Länge in Axialrichtung des Rotors, von einem Ende auf der

Seite der Saugöffnung in der äußeren Umfangsflache des Rotors und ferner einen Spiralnutpumpenelementabschnitt, welcher auf einem Abschnitt der äußeren Umfangsflache auf einer Ausstoßseite in vorbestimmter Länge in Axialrichtüng des Rotors von einem Ende auf der Seite der Ausstoßöffnung in der anderen Umfangsflache des Rotors geformt ist, wobei die Spiralnut-Elemente, die dynamischen Flügeltyppumpenelementabschnitte und der Spiralnutpumpenelementabschnitt glatt ineinander übergehen.

Bei der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ, die in der obenstehenden Weise konstruiert ist, kann die Öffnungsfläche der Saugöffnung erheblich größer gemacht werden, als bei üblichen Vakuumpumpen vom Spiralnut-Typ. Hierdurch wurde bestätigt, daß nicht nur in dem niedrigen Vakuumbereich, sondern ebenfalls in dem hohen Vakuumbereich die Ausstoßgeschwindigkeit erheblich vergrößert werden kann. Folglich kann eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit bei der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach vorliegender Erfindung vom niedrigen Vakuumbereich von etwa 1.000 bis 1,0 E-6Pa bis zum hohen Vakuumbereich erzielt werden. Andererseits kann die Lebensdauer erheblich verbessert werden, da die Konstruktion im Vergleich mit KompositVakuumpumpen vom Spiralnut-Typ vereinfacht werden kann.

Hier können eine Vielzahl von zweiten Spiralnut-Elementen, welche einen zweiten Elementabschnitt vom Typ einer dynamischen Flügelpumpe definieren, auf dem äußeren Umfangsflächenabschnitt auf der Saugseite des Rotors geformt werden. In diesem Falle kann die Gesamtzahl der Pumpenelementabschnitte vom Typ dynamischer Flügelpumpen und der zweiten Pumpenelementabschnitte vom dynamischen Flügeltyp ein ganzzahliges

Vielfaches der Anzahl der Pumpenelementabschnitte vom Spiralnut-Typ sein.

Andererseits ist es bevorzugt, daß ein Flügelwinkel der Pumpenelementabschnitte vom dynamischen Flügeltyp und der zweiten Pumpenelementabschnitte vom dynamischen Flügeltyp größer oder gleich ist einem Neigungswinkel auf der Saugseite in dem Pumpenelementabschnitt vom Spiralnut-Typ.

Ferner ist es bevorzugt, daß ein Flügelwinkel des zweiten Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp größer ist als der Flügelwinkel des Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp.

Andererseits ist es bevorzugt, daß die Dicke des Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp und des zweiten Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp dicker ist als die Dicke des Pumpenelementabschnitts vom Spiralnut-Typ.

Ferner ist es bevorzugt, daß die Dicke des zweiten Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp dünner ist als die Dicke des Pumpenelementabschnitts vom dynamischen Flügeltyp.

Ferner ist es vorteilhaft, daß zwischen dem äußeren Umfangs-Oberflächenabschnitt auf der Saugseite und dem äußeren Umfangsf lächenabschnitt auf der Ausstoßseite ein Übergangsabschnitt der äußeren Umfangsflache geformt ist, und daß auf dem Übergangsabschnitt der äußeren Umfangsflache ein Übergangsspiralnut-Elementabschnitt glatt den Pumpenelementabschnitt vom dynamischen Flügeltyp und den Pumpenelementabschnitt vom Spiralnut-Typ bei jedem Spiralnut-Element verbindet. Hierdurch kann, selbst wenn eine Störung des Gases auf-

grund einer abrupten Variation der Form zwischen dem Pumpenelementabschnitt vom dynamischen Flügeltyp und dem Pumpenelementabschnitt vom Spiralnut-Typ auftritt, ein Problem der Absenkung des Ausstoßwirkungsgrades vermieden werden.
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Andererseits ist es unter einem ähnlichen Gesichtspunkt vorteilhaft, daß, wenn ein Außendurchmesser des äußeren Umfangsflächenabschnitts auf der Saugseite des Rotors sich von einem Außendurchmesser des äußeren Umfangsflächenabschnitts auf der Ausstoßseite unterscheidet, durch den Übergangsabschnitt der äußeren Umfangsflache der äußere Umfangsflächenabschnitt auf der Saugseite und der äußere Umfangsflächenabschnitt auf der Ausstoßseite glatt miteinander verbunden sind.

Figur 1 stellt eine Schnittansicht eines Hauptteils der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ dar, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird;

Figuren 2A-2C zeigen eine Vielzahl von Spiralnut-Elementen auf einer äußeren Umfangsflache eines Rotors der Pumpe gemäß Figur 1, wobei Figur 2A eine Draufsicht auf den Rotor 3 vom Flügelspitzenende, Figur 2B eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses von der Seite und Figur 2C eine Abwicklung der äußeren Umfangsflache darstellt;
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Figuren 3A-3C zeigen eine weitere Ausführungsform einer Vielzahl von Spiralnut-Elementen, die auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors in der Pumpe gemäß Figur 1 geformt sind, wobei Figur 3A eine Draufsicht des Rotors von der Seite der spitzen Enden, Figur 3B eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses von der Seite und Figur 3C eine Abwicklung der äußeren Umfangsflache zeigt.

Figur 4 ist eine Grafik, welche einen Vergleich der Charakteristika der Ausstoßgeschwindigkeit einer üblichen Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ und einer Vakuumpumpe nach der vorliegenden Erfindung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, darstellt.

Eine Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 zeigt eine allgemeine Schnittansicht der dargestellten Ausführungsform einer Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ. Wie in den Zeichnungen gezeigt, weist eine Vakuumpumpe 1 vom Spiralnut-Typ ein zylindrisches Pumpengehäuse 2 auf. Eine Öffnung auf der Seite der Flügelenden des Pumpgehäuses 2 ist eine Saugöffnung 21 und die gegenüberliegende Seite ist eine seitliche Ausstoßöffnung 22. Innerhalb des Pumpengehäuses 2 ist ein einzelner zylindrischer Rotor 3 koaxial angeordnet. Auf der äußeren Umfangsflache des Rotors 3 ist eine Vielzahl von Spiralnut-Elementen 4(n) geformt, deren Einzelheiten weiter unten näher erläutert werden. Zwischen den Kanten der Schraubengänge und der inneren Umfangsfläche des Gehäuses besteht ein Spalt von etwa 0,2 bis 0,5 mm im Betriebszustand.

In dem Rotor 3 ist ein hohler Abschnitt ausgebildet. In dem hohlen Abschnitt ist eine drehbare Rotorwelle 5 koaxial angeordnet. Am Ende der Spitzen der drehbaren Rotorwelle 5 ist der Rotor 3 durch eine Rotorhalteplatte 8 und einen Rotorbefestigungsbolzen 7 gehalten. Die drehbare Rotorwelle 5 ist mit dem Rotor eines Motors 8 verbunden und wird durch den Motor 8 gedreht. Auf der anderen Seite ist die Rotorwelle 5 drehbar durch obere und untere magnetische Radiallager 11 und

12 gelagert und der untere Abschnitt der drehbaren Rotorwelle ist drehbar durch ein magnetisches Drucklager 13 abgestützt.

Der Motor 8 und die dazugehörigen Lager 11 bis 14 sind auf einem Lagergehäuse montiert. Das Lagergehäuse 15 wird von der Seite der seitlichen Ausstoßöffnung 22 des Pumpengehäuses 2 eingesetzt und dichtet die seitliche Ausstoßöffnung 22 ab. In dem Lagergehäuse 15 ist ein Ausstoßkanal 15a, der mit der seitlichen Ausstoßöffnung 22 des Pumpengehäuses 2 in Verbindung steht, ausgebildet. Ein Öffnungsende des Ausstoßkanals 15a an der Seite des Pumpengehäuses 2 wird als Pumpenausstoßöffnung verwendet und das andere offene Ende steht daher mit der Atmosphäre in Verbindung.

Andererseits zeigen die Bezugszeichen 16 bis 18 in Figur 1 einen oberen radialen Verschiebungssensor, einen unteren radialen Verschiebungssensor und einen Druckverschiebungssensor. Diese Ausgangssignale werden über ein elektrisches Verbindungsteil 19 abgeleitet, welches außen auf dem Lagergehäuse 15 montiert ist. Andererseits erfolgt über einen elektrischen Anschluß 19 die Energieversorgung und die Erregung bezüglich des Motors 8 und der entsprechenden magnetischen Lager.

Die Figuren 2A-2C zeigen die verschiedenen Spiralnut-Elemente 4, die auf der äußeren Umfangsflache des Rotors geformt sind, wobei Figur 2A eine Draufsicht des Rotors von der Seite der Flügelenden oder -spitzen, Figur 2B eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses von der Seite und Figur 2C eine Abwicklung der äußeren Umfangsflache zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 weist die äußere Umfangsfläche 30 des Rotors 3 einen Saugseitenabschnitt 31 der äußeren Umfangsflache einer bestimmten Länge in Richtung der gleichen Achse 3a des Rotors von der Endkante 31a der spitzen Enden auf der Seite der Saugöffnung 21 des Rotors 3 auf und ferner einen äußeren Ausstoßseitenabschnitt 33 der Umfangsfläche bestimmter Länge in Richtung der gleichen Achse 3a von der Flügelendkante 33a auf der Seite der Ausstoßöffnung 9. Diese Abschnitte sind durch einen Übergangsabschnitt 32 der äußeren Umfangsflache miteinander verbunden.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind auf der äußeren Umfangsf lache 30 des Rotors 3 fünf Spiralnut-Elemente 4(n) (n = 1 bis 5) geformt. Bei jedem Spiralnut-Element 4(n) ist ein in dem Saugseitenabschnitt 31 der äußeren Umfangsflache geformter Abschnitt ein Pumpenelementabschnitt 41 vom dynamischen Flügeltyp auf der Basis der Konstruktionstheorie einer Turbo-Molekularpumpe. Der Abschnitt auf dem äußeren Umfangsflächenabschnitt 33 der Ausstoßseite ist ein Pumpenelementabschnitt 43 vom Spiralnut-Typ. Diese Elementabschnitte 41 und 43 sind glatt durch einen Übergangsspiralnut-Elementabschnitt 42 miteinander verbunden, welcher im Übergangsabschnitt 32 der äußeren Umfangsflache geformt ist.

Jedes Spiralnut-Element 4 (n) der gezeigten Ausführungsform ist folgendermaßen konstruiert. Zunächst wird die Form und die Abmessung des Pumpenelementes 43 vom Spiralnut-Typ durch ein Konstruktionsverfahren abgeleitet, welches in "screw type viscous vacuum pump", Japan Society of Mechanical Engineers (Spalte B), Band 51, Nr. 470 (Oktober 1985) beschrieben ist. Bei diesem Konstruktionsverfahren ist ein Längenverhältnis an einem Ende der Saugseite eines Pumpenelementabschnittes 43

vom Spiralnut-Typ (eine Grenzposition zwischen dem Ausstoßseitenabschnitt 41 der äußeren Umfangsflache und dem Übergangsoberflächenabschnitt 32 der äußeren Umfangsfläche) größer oder gleich als drei, ein Schraubenbreitenverhältnis liegt bei etwa 0,8, ein Neigungswinkel a2 liegt im Bereich zwischen 30 und 40° und ein Spiralnutbreitenverhältnis zur Ausstoßöffnung liegt bei etwa 0,5 bis 0,8, um dadurch die Spiralnutform zu bestimmen, bei welcher graduell der Spitzenwinkel der Spiralnut verringert wird.

Als nächstes wird die Form und die Abmessung des Pumpenelementabschnittes 41 vom dynamischen Flügeltyp festgelegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Form nach der Konstruktionstheorie der Turbo-Molekularpumpe abgeleitet, wie diese in der geprüften japanischen Patentpublikation Nr. Showa SOI 27204 beschrieben ist. Hier bezüglich der Anzahl der Spiralnutkanten des Pumpenelementabschnitts 43 vom Spiralnut-Typ, wie sie, wie oben beschrieben, festgelegt wurden, ist die Anzahl des Pumpenelementabschnitts 41 die gleiche oder ein ganzzahliges Vielfaches derselben. Andererseits wird der Flügelwinkel al in einem Winkel eingestellt, welcher größer oder gleich ist dem Neigungswinkel a2 der Schraube. Indem dieses als der Basiszustand angenommen wird, wird die in der oben beschriebenen geprüften Publikation beschriebene Konstruktionstheorie angewandt, um die Länge in Umfangsrichtung und die Länge in Axialrichtung des Elementabschnittes 41 festzulegen.

Andererseits wird die Dicke ti des Pumpenelementabschnitts 41 so gewählt, daß ausreichender Widerstand gegen Beanspruchung und Druck erreicht wird, was von der Größe der Öffnungsfläche der Saugöffnung und der Last des ausgestoßenen Gases abhängt

und dies wird bestimmt unter Berücksichtigung eines Grenzwerts der mechanischen Festigkeit des verwendeten Materials. Normalerweise beträgt die Dicke etwa 1 bis 3 mm.

Ferner liegt ein Abstandscodeverhältnis SO des Pumpenelementabschnitts 41 typischerweise in einem Bereich zwischen 0,9 und 1,2. Andererseits, betreffend eine Länge eines dynamischen Flügels (eine Länge, welche längs der Drehachse 3a gemessen wird), wird eine notwendige Länge auf der Basis einer angestrebten Ausstoßgeschwindigkeit festgelegt und eine Relativgeschwindigkeit wird von der Bewegungsgeschwindigkeit durch Drehung des dynamischen Flügels und der Bewegungsgeschwindigkeit durch Drehung des dynamischen Flügels abgeleitet.

Wenn die geometrische Form eines Pumpenelementabschnitts 41 auf der Saugseite des Spiralnut-Elements 4(n) in der oben erwähnten Weise bestimmt wird, kann im Vergleich mit dem Falle, in welchem lediglich ein Pumpenelement vom Spiralnut-Typ in einer üblichen Schraubenpumpe geformt wird, die Fläche der Saugöffnung erheblich vergrößert werden. Als Resultat kann die Ausstoßgeschwindigkeit in einem freien Molekularbereich mit einer Gewißheit, in das Gasmolekular durch eine geometrische Form des Flügels hineinzuspringen, erheblich vergrößert werden. Ebenso kann eine Kompressionsleistung aufrechterhalten werden.

Als nächstes wird das Ende auf der Ausstoßseite des Pumpenelementabschnitts 41 mit dem Pumpenelementabschnitt 43, welcher eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit in Gleitströmung aufweist, verbunden. Wenn die Dicke t3 des Pumpenelementabschnitts 43 größer ist als die Dicke ti des Pumpenelementab-

Schnitts 41, wie dies in Figur 2C gezeigt ist, nimmt der Spiralnut-Elementabschnitt 42 graduell in seiner Dicke von der Seite des Pumpenelementabschnitts 42 zu, um in den Pumpenelementabschnitt 43 überzugehen, so daß hierdurch der Ausstoßwirkungsgrad nicht verschlechtert wird, indem Störungen in der Strömung des Gases durch abrupte Änderung der Form zwischen diesen Elementabschnitten erzeugt werden. Gleichermaßen wenn der Flügelwinkel al des Pumpenelementabschnitts 41 und der Neigungswinkel oc2 des Pumpenelementabschnittes 43 verschieden sind, werden beide Elementabschnitte 41 und 43 durch gemäßige Änderung des Winkels miteinander verbunden.

Auf der anderen Seite, wie in dem Falle der veranschaulichten Ausführungsform bezüglich des Wurzeldurchmessers rl des Pumpenelementabschnitts 41, falls ein Bodendurchmesser r2 der Spiralnut am Ende der Saugseite des Pumpenelementabschnitts 43 größer ist, können die Abschnitte 31 und 33 durch sanfte Änderung des Durchmessers miteinander verbunden werden, indem graduell der Außendurchmesser des Übergangsabschnitts 32 der äußeren Umfangsflache vom Umfangsflächenabschnitt 31 der Saugseite auf den Umfangsflächenabschnitt 33 der Ausstoßseite vergrößert wird. Mit anderen Worten wird die Form glatt vom Pumpenelementabschnitt 41 vom Flügeltyp auf den Pumpenelement-Abschnitt 43 vom Spiralnut-Typ geändert.

Bei der gezeigten Ausführungsform der Vakuumpumpe 1, welche in der oben beschriebenen Weise konstruiert ist, wird Molekulargas durch den Pumpenelementabschnitt 43 auf der Saugseite angesaugt und bis zu einem gegebenen Druck komprimmiert. Da das Volumen des komprimierten Gases klein wird, kann das Volumen des in den nächsten Pumpenelementabschnitt 41 vom Spiralnut-Typ eingesaugten Gases kleiner sein als das in dem

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Pumpenelementabschnitt 43 vom dynamischen Flügeltyp. Im Pumpenelementabschnitt 41 erfolgt die Kompression des Gases kontinuierlich. Folglich wird das Volumen des Kerbenabschnitts fortlaufend reduziert. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist, wie oben erläutert, das Spiralnut-Element in Abhängigkeit von dem Druck und dem Volumen des aus dem Pumpenelementabschnitt 43 ausgestoßenen Gases konstruiert. Folglich kann die Ausstoßleistung (Kompressionsleistung, Ausstoßgeschwindigkeit) der gesamten Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ verbessert werden.

Falls der Konstruktionszustand des Pumpenelementabschnitts 43 und des Pumpenelementabschnitts 41 nicht richtig ist, können die folgenden Probleme auftreten. Beispielsweise zeigt, falls die angesaugte Gasmenge des Pumpenelementabschnitts 41 vom Spiralnut-Typ klein ist, die Strömung des Gases in diesem Abschnitt die Neigung, gedrosselt zu sein, um die Gasmenge, die zum Pumpenelementabschnitt 4 3 vom dynamischen Flügeltyp zurückzuführen, zu vergrößern. Gleichzeitig ist sogar in diesem Abschnitt der Druck erhöht, um die Pumpenfunktion in dem Pumpenelementabschnitt 43 zu verringern. Als Resultat sind bei höherem Druck sowohl die Kompressionsleistung als auch die Ausstoßgeschwindigkeit niedriger. Andererseits und im Gegensatz zu Obenstehendem, wenn die Ansaugmenge des Gases zu groß ist, verursacht das in dem Pumpenelementabschnitt 4 3 koprimierte Gas wiederum eine Volumenexpansion, so daß die Kompressionsarbeit in dem Pumpenelementabschnitt 4 3 vom dynamischen Flügeltyp überflüssig ist.

Andererseits, wie dies allgemein bekannt ist, verursacht in dem Bereich hohen Vakuums, welcher als Molekularströmung bezeichnet wird, die Bewegung der Gasmoleküle ein Zusammenstos-

sen der Gasmoleküle bei niedriger Frequenz und anstelle dessen kann die Frequenz der Zusammenstöße mit der Wandung, die das Molekulargas umgibt, die Bewegung der Gasmoleküle bestimmen. Aus diesem Grund wird es ein wichtiger Punkt, die Aus-Stoßleistung der Pumpe zu verbessern, um effektiv das Molekulargas, welches durch die Saugöffnung der Pumpe eingeführt wurde, zur Seite der Ausstoßöffnung zu fördern. Da die Menge des eingeführten Molekulargases proportional zur Öffnungsfläche der Saugöffnung ist, ist es zweckdienlich, die Öffnungsfläche der Saugöffnung der Pumpe zu vergrößern, um dadurch die Ausstoßgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn jedoch die Öffnungsfläche zu sehr vergrößert wird, was mit einer Zunahme des eingeführten Molekulargases verbunden ist, wird die zurückzuführende Molekulargasmenge ebenfalls vergrößert. Als Resultat wird die Ausstoßgeschwindigkeit nicht vergrößert und die Kompressionsleistung gesenkt. Folglich ist es, um die Öffnungsfläche zu vergrößern, während gleichzeitig ein gegebener Ausstoßwirkungsgrad und Kompressionsleistung aufrechterhalten wird, um die angestrebte Ausstoßgeschwindigkeit zu erreichen, wirkungsvoll ein Konstruktionsverfahren der Turbo-Molekularpumpe zu verwenden, welches theoretisch bezüglich des Ausstoßwirkungsgrades und der Kompressionsleistung gesichert ist.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ ist, wie oben beschrieben, bei dem auf der äußeren Umfangsflache des Rotors geformten Spiralnut-Element der Abschnitt auf der Seite der Saugöffnung derart gestaltet, daß der Pumpenelementabschnitt vom dynamischen Flügeltyp eine geometrische Form hat, die entsprechend der Konstruktionstheorie der Turbo-Molekularpumpe bestimmt ist. Folglich ist die Saugöffnung erheblich vergrößert, ohne eine Absenkung der

Kompressionsleistung zu verursachen, um dadurch erheblich die Ausstoßgeschwindigkeit in dem freien Molekularbereich zu vergrößern. Folglich kann die Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ verwirklicht werden, mit der eine hohe Ausstoßgeschwindigkeit über einen großen Druckbereich von dem niedrigen Vakuumbereich zum hohen Vakuumbereich erzielbar ist.

Es soll hervorgehoben werden, daß die notwendige Länge des Pumpenelementabschnittes 4 3 in axialer Richtung in Abhängigkeit von einem Abstandscodeverhältnis und der Anzahl von Flügeln bestimmt wird. Andererseits betreffend die Länge in axialer Richtung des Pumpenelementabschnittes 41 wird die notwendige Länge in Abhängigkeit von der angestrebten Kompressionsleistung bestimmt. Folglich wird die Länge des Pumpenelementabschnitts 43 in axialer Richtung in Abhängigkeit von der Ausstoßleistung bestimmt, welche von dem Pumpenelementabschnitt vom dynamischen Flügeltyp und dem Pumpenelementabschnitt vom Spiralnut-Typ verlangt wird.

Figur 4 ist eine Grafik, welche ein Meßbeispiel der Ausstoßgeschwindigkeit in bezug auf den Druck an der Ansaugöffnung vergleichend zwischen dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ und der üblichen Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ zeigt. Wie aus der Grafik ersichtlich, sind die Ausstoßeigenschaften im hohen Vakuumbereich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ verbessert. Andererseits kann in dem Bereich niedrigen Vakuums eine äquivalente Ausstoßgeschwindigkeit im Vergleich mit der konventionellen Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ aufrechterhalten bleiben.

Die Figuren 3A-3C zeigen eine weitere Ausführungsform einer Vielzahl von Spiralnut-Elementen 4(n), welche auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors 3 geformt sind, wobei Figur 3A eine Draufsicht auf den Rotor 3 von der Seite der Flügelenden her, Figur 3B eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses von der Seite und Figur 3C eine Abwicklung der äußeren Umfangsfläche zeigt. Bei der in diesen Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsform ist auf dem äußeren Umfangsoberflächenabschnitt 31 auf der Saugseite des Rotors 3 zusätzlich zu dem Pumpenelementabschnitt 41 eine Vielzahl von zweiten Spiralnut-Elementen 4A(m) angeordnet, welche den zweiten Pumpenelementabschnitt 41A vom dynamischen Flügeltyp bilden. Die Gesamtzahl der Flügel des Pumpenelementabschnitts 41 vom dynamischen Flügeltyp und des Pumpenelementabschnitts 41A ist ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Flügeln des Pumpenelementabschnitts 43 vom Spiralnut-Typ. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Gesamtzahl der Flügel auf 10 (m = 5) eingestellt.

In diesem Falle ist es vorteilhaft, daß ein Flügelwinkel al des Pumpenelementabschnitts 41A größer ist als der Flügelwinkel al des Pumpenelementabschnitts 41. Andererseits ist eine Dicke t3 des Pumpenelementabschnitts 41A vorzugsweise dünner als eine Dicke ti des Pumpenelementabschnitts 41. Indem der Flügelwinkel größer gemacht wird und die Dicke geringer, oder indem eines der beiden Maßnahmen angewandt wird, kann die Öffnungsfläche der Saugöffnung 21 erweitert werden. Folglich kann die Ausstoßgeschwindigkeit vergrößert werden.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß, obwohl obenstehende Ausführungsformen magnetische Lager für Lagerung des Rotors 3

verwenden, selbstverständlich auch andere Lager verwendet werden können.

Wie oben erläutert, ist bei der Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach vorliegender Erfindung bei den auf den Rotor geformten Spiralnut-Elementen der Abschnitt auf der Seite der Saugöffnung als Pumpenelementabschnitt vom dynamischen Flügeltyp geformt, welcher eine geometrische Form aufweist, die auf der Basis der Konstruktionstheorie der Turbo-Molekularpumpe bestimmt wird. Folglich kann, obwohl die Charakteristika einer hohen Ausstoßgeschwindigkeit im Bereich niedrigen Vakuums als Vorteil der üblichen Pumpenelementabschnitte vom Spiralnut-Typ aufrechterhalten bleiben, die Ausstoßgeschwindigkeit im Bereich hohen Vakuums erheblich verbessert werden. Andererseits ist es, um die Ausstoßgeschwindigkeit im hohen Vakuumbereich zu verbessern, nicht notwendig, eine komplizierte Konstruktion mit statischen Flügeln zu verwenden, wie beispielsweise die übliche Turbo-Molekularpumpe, selbst wenn die Ventilation großer Mengen reaktionsfähigen Gases erfolgen soll, kann eine überragende Haltbarkeit erzielt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE ZU FIG. 2A - 2C BLATT 2 DER ZEICHNUNGEN

10 *1 SAUGSEITE

*2 PUMPENELEMENTABSCHNITT VOM DYNAMISCHEN FLÜGELTYP

*3 ÜBERGANGSABSCHNITT 42 DES SPIRALNUT-ELEMENTS

M PUMPENELEMENTSABSCHNITT 4

*5 AUSSTOSS-SEITE

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BEZUGSZEICHENLISTE ZU FIG. 3A - 3C BLATT 3 DER ZEICHNUNGEN

10 *1 SAUGSEITE

*2 PUMPENELEMENTABSCHNITT VOM DYNAMISCHEN FLÜGELTYP

*3 ÜBERGANGSABSCHNITT 42 DES SPIRALNUT-ELEMENTS 15

*4 PUMPENELEMENTSABSCHNITT 43 VOM SPIRALNUT-TYP

*5 AUSSTOSS-SEITE

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BEZUGSZEICHENLISTE ZU FIG. BLATT 4 DER ZEICHNUNGEN

10 *1 AUSSTOSSGESCHWINDIGKEIT

*2 PUMPENELEMENT NACH ERFINDUNG

*3 KONVENTIONELLES PUMPENELEMENT 15

*4 DRUCKSAUGÖFFNUNG

Claims

PECA 39001/1217 Precision Instrument Development Center, National Science Council, 20 R & D Road VI, Hsinchu Science-Based Industrial Park, Hsinchu 300, Taiwan, R.&ogr;.C. SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vakuumpumpe (1) vom Spiralnut-Typ mit einem aus Abschnitten bestehenden zylindrischen Pumpengehäuse (2), einem einzelnen zylindrischen Rotor (3), der koaxial in dem Pumpengehäuse (2) angeordnet ist, einem Spiralnutabschnxtt, der durch eine Vielzahl von Spiralnut-Elementen (4(n)) definiert ist, die auf einer äußeren Umfangsflache (30) des Rotors (3) geformt sind, und einer Saugöffnung (21) und einer Ausstoßöffnung (9), die mit dem Pumpengehäuse (2) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Spiralnut-Elementen (4(n)), die auf der äußeren Umfangsflache (30) des Rotors (3) geformt sind, einen Pumpenelementabschnitt (41) vom dynamischen Flügeltyp aufweist, welcher auf einer Konstruktionstheorie einer Turbo-Molekularpumpe basiert und auf einem Abschnitt der äußeren Umfangsflache auf einer Saugseite in vorbestimmter Länge in Axialrichtung des Rotors (3) ausgehend von einem Ende auf der Seite der Saugöffnung (21) in der

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äußeren Umfangsflache (30) des Rotors (3) geformt ist, daß ein Pumpenelementabschnitt (43) vom Spiralnut-Typ auf dem Abschnitt (33) der Umfangsf lache geformt ist, und auf der Ausstoßseite in einer vorbestimmten Länge in Axialrichtung des Rotors (3) ausgehend von einem Ende auf der Seite der Ausstoßöffnung (9) in der äußeren Umfangsf lache (30) des Rotors (3) angeordnet ist, wobei in jedem der Spiralnut-Elemente (4(n)) der Pumpenelementabschnitt (41) vom dynamischen Flügeltyp und der Pumpenelementabschnitt (43) vom Spiralnut-Typ weich ineinander übergeht.

2. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vielzahl von zweiten Spiralnut-Elementen (4A(m)) vorgesehen ist, die einen zweiten Pumpenelementabschnitt (41A) vom dynamischen Flügeltyp auf dem äußeren Umfangsoberflächenabschnitt (31) auf der Saugseite des Rotors (3) definieren.

3. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Pumpenelementabschnitte

(41) vom dynamischen Flügeltyp und der zweiten Pumpenelementsabschnitte (41A) vom dynamischen Flügeltyp ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Pumpenelementsabschnitte (43) vom Spiralnut-Typ darstellt.
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4. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flügelwinkel des Pumpenelementabschnittes (41) vom dynamischen Flügeltyp und des zweiten Pumpenelementabschnittes (41A) vom dynamischen Flügeltyp größer oder gleich einem Neigungswinkel auf einer Saugseite des Pumpenelementabschnitts (43) vom Spiralnut-Typ ist.

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5. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flügelwinkel des zweiten Pumpenelementabschnitts (41A) vom dynamischen Flügeltyp größer ist als ein Flügelwinkel des Pumpenelementabschnitts (.41) vom dynamischen Flügeltyp.

6. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke des Pumpenelementabschnitts (41) von dynamischen Flügeltyp und des zweiten Pumpenelementabschnitts (41A) vom dynamischen Flügeltyp dikker ist als eine Dicke des Pumpenelementabschnitts (43) vom Spiralnut-Typ.

7. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des zweiten Pumpenelementabschnitts (41A) vom dynamischen Flügeltyp kleiner ist als die Dicke des Pumpenelementabschnitts (41) vom dynamischen Flügeltyp.

8. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Umfangsflächenabschnitt (31) auf der Saugseite und dem äußeren Umfangsflächenabschnitt (33) auf der Ausstoßseite ein äußerer Übergangsoberflächenabschnitt (32) geformt ist, und daß auf dem Übergangsoberflächenabschnitt der Umfangsflache (32) ein Übergangsspiralnutelementabschnitt (42) glatt den Pumpenelement sabschnitt (41) vom dynamischen Flügeltyp und den Pumpenelementsabschnitt (43) vom Spiralnut-Typ bei jedem Schraubenelement (4(n)) verbindet.

9. Vakuumpumpe vom Spiralnut-Typ nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn ein Außendurchmesser des äußeren Um-

fangsflächenabschnitts (31) auf der Saugseite des Rotors (3) sich von dem Außendurchmesser des äußeren Umfangsflächenabschnitts (33) auf der Ausstoßseite unterscheidet, der äußere Außenoberflächenabschnitt (31) auf der Saugseite und der Außenoberflächenabschnitt (33) auf der Ausstoßseite durch einen äußeren Übergangsoberflächenabschnitt (32) glatt verbunden sind.